基于熱流固耦合的換熱器管束數(shù)值模擬分析.pdf

1、管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高以及操作靈活等特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用。換熱管是管殼式換熱器中最為薄弱的部件，溫差引起的熱應(yīng)力以及高速流體引發(fā)的換熱器管束振動(dòng)都極易造成換熱管的損壞。因此，對(duì)實(shí)際工作狀態(tài)下的換熱管束進(jìn)行研究，對(duì)提高換熱器壽命以及經(jīng)濟(jì)效益都具有重大的實(shí)際意義。
　　本文以某管殼式空氣換熱器作為研究對(duì)象，采用多物理場(chǎng)耦合的方法，建立該空氣換熱器的有限元模型并進(jìn)行熱流固耦合分析。通過(guò)FLUENT軟件對(duì)換熱器管程、

2、殼程內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的流場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)耦合面?zhèn)鬟f至結(jié)構(gòu)分析中，并作為載荷施加在換熱器模型上，對(duì)比不同載荷條件下的換熱管束的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，溫差引起的熱應(yīng)力對(duì)換熱管束的總應(yīng)力分布影響比較大，而流體壓力載荷對(duì)換熱管束的影響很小。
　　根據(jù)換熱器流場(chǎng)模擬的結(jié)果，計(jì)算出換熱管所受流體激振力，并作為載荷施加到簡(jiǎn)化后的換熱管有限元模型上，模擬出換熱管應(yīng)力分布及變化。結(jié)果表明，旋渦脫落引起的激振力使得殼程入口處的換熱管產(chǎn)生了較大的循環(huán)

3、應(yīng)力，容易引發(fā)換熱管振動(dòng)，使得換熱管束發(fā)生疲勞破壞。
　　采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和雙向流固耦合的方法對(duì)V=30m/s時(shí)殼程入口處的流體和換熱管束進(jìn)行了分析。結(jié)果表明流體以該流速流動(dòng)時(shí)，換熱管束應(yīng)力以及變形都很小，并在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，判斷流體彈性不穩(wěn)定不會(huì)引起換熱管束的劇烈振動(dòng)，對(duì)換熱管束的影響很小。
　　綜上所述，該空氣換熱器管束失效的主要原因是由溫差引起的熱應(yīng)力，而殼程流體流動(dòng)誘導(dǎo)換熱管束振動(dòng)加速了換熱管束的失效，其振動(dòng)機(jī)理是